Spar平臺渦激運動關(guān)鍵特性研究.pdf

1、隨著離岸深水工程技術(shù)的不斷發(fā)展，Spar平臺在深海油氣開采中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。我國油氣開采進軍深海領(lǐng)域，亟待先進的海洋開發(fā)技術(shù)來支持，Spar平臺這種深水和超深水海域中極具競爭力的平臺類型，必將在不遠的將來成為我國深海開發(fā)的重要工具。
　　 相對于其排水量來說，Spar平臺水線面小，重心低，這使得Spar平臺擁有極好的穩(wěn)性，并且對波浪激勵具有較小的響應(yīng)，這些優(yōu)良性能使得Spar平臺很快得到了業(yè)界的認可并進入繁榮發(fā)展的時代。

2、但是與其它類型的海洋平臺相比，其特殊的深吃水立柱式結(jié)構(gòu)容易引起來流作用下結(jié)構(gòu)后方的旋渦脫落，從而導(dǎo)致渦激運動。所有的Spar平臺，包括ClassicSpar，TrussSpar，CellSpar等，在一定的海洋環(huán)境條件下都可能發(fā)生渦激運動。在Spar上工作的人員如果長期受到渦激運動的影響，很容易疲勞和影響健康；長時間持續(xù)的渦激運動可能引起立管損壞、錨泊系統(tǒng)疲勞、甚至平臺停止作業(yè)，因此在立管及錨泊系統(tǒng)的強度和疲勞特性設(shè)計過程中，以及在平臺

3、安全性方面，都必須充分考慮到渦激運動的影響。
　　 Spar平臺渦激運動研究是目前海洋工程學(xué)科的前沿課題，是我國南海油氣開采戰(zhàn)略中的重要課題，也是國際上方興未艾的研究熱點。本論文在國家863計劃的支持下，以Spar平臺渦激運動的關(guān)鍵特性為主要研究內(nèi)容，通過理論分析、CFD計算和模型試驗相結(jié)合的方法，從渦激運動發(fā)生機理、關(guān)鍵特性、抑制方法等多方面尋找突破口，探索適用于Spar平臺渦激運動預(yù)報和抑制的數(shù)值和試驗方法，對Spar平臺渦

4、激運動現(xiàn)象進行系統(tǒng)深入的研究，在鎖定現(xiàn)象、高Re數(shù)下渦脫落特征、系泊系統(tǒng)的非線性特征、多柱式主體減渦機制、波流聯(lián)合作用下的渦激運動研究等方面進行了新的探索。
　　 論文第一章介紹了Spar平臺的誕生和發(fā)展過程、目前在國際范圍內(nèi)的應(yīng)用及研究情況，并對三代主要Spar平臺的總體結(jié)構(gòu)、水動力特征進行了系統(tǒng)的總結(jié)和闡述，進而介紹了Spar平臺渦激運動問題的概況，并分別從容易引起渦激運動的海洋環(huán)境條件、渦激運動的原始激勵及主導(dǎo)運動、影響因

5、素和特征參數(shù)等方面對渦激運動現(xiàn)象的基本情況進行了闡述，總結(jié)歸納了目前國際上渦激運動研究相關(guān)進展、渦激運動研究及預(yù)報的主要方法，以及渦激運動研究的熱點、難點、目前研究中所存在的不足、面臨的問題和目前研究發(fā)展的方向，最后介紹了本文研究工作的意義、主要研究內(nèi)容和研究方法，并提出了論文的創(chuàng)新性。
　　 渦激運動現(xiàn)象涉及到流體力學(xué)中實際流體繞流物型時所產(chǎn)生的很多問題，如速度和壓強分布、邊界層分離現(xiàn)象、繞流阻力與升力等等。深入研究渦激運動現(xiàn)

6、象的機理及本質(zhì)特征，必須建立在流體力學(xué)基礎(chǔ)理論之上。本文第二章就渦激運動問題所涉及的流體物理性質(zhì)、流體力學(xué)理論和數(shù)值計算方法進行了討論，并總結(jié)分析了圓柱繞流問題的一些經(jīng)典結(jié)論，為以后章節(jié)的數(shù)值計算和物理試驗研究奠定了理論基礎(chǔ)。同時，對國際上研究圓柱渦激振動的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ㄟM行了一些介紹，并對其優(yōu)缺點進行了分析。
　　 渦激運動之所以成為一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象，首先歸因于引起渦激運動的物理機制背后隱藏著復(fù)雜的流體力學(xué)機理。因此在進行實際

7、Spar平臺的渦激運動研究之前，對低質(zhì)量比浮式柱體在來流中的瀉渦情況、受力情況等重要特征進行相應(yīng)的基礎(chǔ)性研究是十分必要的，這有助于進一步深層次理解和掌握渦激運動現(xiàn)象背后的機理和本質(zhì)。本文第三章主要從機理方面對研究渦激運動的流體激勵、尾流流場、響應(yīng)特征等進行了較為深入的探索，采用直接模擬流體力的CFD方法，結(jié)合模型試驗，去除了海洋環(huán)境、平臺具體結(jié)構(gòu)、平臺深水錨泊系統(tǒng)等外部復(fù)雜因素的影響，對低質(zhì)量比、低長徑比的較大尺度圓柱在均勻流中的繞流情

8、況及渦激運動響應(yīng)特征進行了模擬和研究。圓柱特征參數(shù)的確定以典型TrussSpar主尺度為參考，可視為TrussSpar主體硬艙部分的1:100縮尺比模型。研究了固定圓柱繞流的邊界層分離情況、渦的形成和脫落情況、尾流區(qū)流場結(jié)構(gòu)情況，對作用在圓柱上的包括升力和拖曳力在內(nèi)的流體力進行了測量、計算和分析，從而對旋渦脫落所引起的流體激勵特征進行研究；研究了強迫運動幅值及頻率對圓柱受力的影響，研究流固耦合系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)物對流體的反作用機制，從根本性的渦

9、脫激勵入手，掌握引起渦激運動的流體動力特征；考慮渦激運動中的流固耦合效應(yīng)，對流場和結(jié)構(gòu)物相互作用的整個系統(tǒng)進行分析，研究了不同來流條件、不同系泊情況下圓柱的渦激運動情況，分析了鎖定現(xiàn)象的發(fā)生機理和規(guī)律；研究了螺旋式側(cè)板的減渦機理；特別地，在試驗過程中通過一組簡單有效的流場可視化系統(tǒng)，對不同情況下圓柱周圍的流場進行了觀測，通過更直觀、更有說服力的試驗觀測結(jié)果對數(shù)值模擬所得到的流場進行了驗證，進一步加深了對渦激運動現(xiàn)象的認識和理解。

10、　　 第四章在通過簡單浮式圓柱進行渦激運動機理性研究的基礎(chǔ)上，對Spar平臺的渦激運動進行了研究。與上一章研究的簡單圓柱不同，實際作業(yè)條件下的Spar平臺在洋流中的渦激運動受到很多因素的影響，其中包括海洋環(huán)境條件因素、平臺自身結(jié)構(gòu)及附屬物因素、深水錨泊系統(tǒng)特征等相關(guān)因素。本章以一種新形式的Spar平臺作為研究對象，對該平臺在沒有安裝減渦裝置的情況下進行了渦激運動的預(yù)報，對其渦激運動響應(yīng)特征進行了研究和分析。多柱桁架式Spar平臺（Ce

11、ll-TrussSpar）是一種新的Spar平臺概念，該平臺融合ClassicSpar、TrussSpar以及CellSpar平臺的設(shè)計特點，并且應(yīng)用了優(yōu)化的垂蕩板設(shè)計，目標是使其在具有前面三代Spar平臺良好的運動性能的基礎(chǔ)上，進一步改善水動力性能、降低建造難度和成本。相對于ClassicSpar、TrussSpar、CellSpar等平臺形式，Cell-TrussSpar在結(jié)構(gòu)形式上有其自身的特征，研究中充分考慮了這一特征，對其建立

12、適當(dāng)?shù)腃FD計算模型，并制作了精細的物理模型，對平臺的主體結(jié)構(gòu)、慣性特征進行了模擬。對于平臺的系泊系統(tǒng)，在數(shù)值模擬過程中，對系泊系統(tǒng)橫蕩、縱蕩兩個水平方向的剛度曲線進行了擬合，并將擬合得到的剛度表達式代入渦激運動微分方程求解程序，采用龍格.庫塔方法對渦激運動進行求解；在模型試驗過程中，采用水深截斷系泊系統(tǒng)，模擬了平臺系泊的實際分布及剛度特征。探索了颶風(fēng)慣性流、環(huán)流等具有不同流速剖面特征的來流條件的計算及模擬方法。研究得到了該平臺渦激運動

13、的響應(yīng)特征和關(guān)鍵性參數(shù)，為進一步的渦激運動抑制研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 渦激運動的抑制是渦激運動研究中的重要方面。Spar平臺一般在硬艙部分安裝螺旋狀的減渦側(cè)板，用于抑制平臺在來流中的渦激運動。本文第三章中對螺旋式減渦側(cè)板的作用原理進行了研究。試驗和實測數(shù)據(jù)表明，這種螺旋式減渦側(cè)板對于抑制平臺的渦激運動效果比較明顯，是目前工程界普遍采用并認可、實用性最強的減渦方式。對于目前處于概念設(shè)計階段的新型的Cell-TrussSpar平臺來

14、說，減渦側(cè)板的設(shè)計工作也是抑制平臺渦激運動、優(yōu)化其水動力性能的重要方面。第五章在研究掌握了該Spar平臺渦激運動響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，進一步探討了渦激運動的抑制方法，對該Spar平臺的螺旋式減渦側(cè)板進行了設(shè)計和優(yōu)化研究。由于Cell-TrussSpar平臺在平臺型式上與以前三代Spar平臺相比，有著鮮明的自身特征，特別是由于上部硬艙的特殊結(jié)構(gòu)形式，使得平臺主體并不像ClassicSpar和TrussSpar那樣構(gòu)成規(guī)則的圓柱體，又不完全同于

15、CellSpar平臺的主體，因此針對Cell-TrussSpar平臺的具體結(jié)構(gòu)特征進行了具體的研究，提出適合于該平臺的減渦側(cè)板結(jié)構(gòu)形式，通過數(shù)值計算，模擬了側(cè)板附近的流場變化情況，以及平臺在安裝側(cè)板后的受力情況和旋渦破碎情況，最后通過數(shù)值計算與模型試驗相互結(jié)合，對側(cè)板的減渦效率、安裝側(cè)板后平臺的渦激運動性能等進行了研究。
　　 在實際的海洋環(huán)境條件下，海洋平臺所承受的往往是風(fēng)浪流的共同作用。Spar平臺的渦激運動是由流的作用引起

16、并決定的，但是在實際海況下，渦激運動往往是和風(fēng)浪流作用所引起的其他水動力響應(yīng)共同發(fā)生并相互影響的，因此討論平臺在實際海況中的渦激運動，特別是波浪的作用對渦激運動的影響，對進一步了解和掌握渦激運動的響應(yīng)特征，從而在實踐中對Spar平臺在實際海況下的渦激運動進行研究和預(yù)報具有重要的意義，對平臺的設(shè)計安裝、現(xiàn)場作業(yè)等都具有指導(dǎo)性的意義。波浪在渦激運動中的影響尤為重要。在波浪和流的共同作用下，波浪運動中水質(zhì)點的軌圓運動，導(dǎo)致平臺前后都有旋渦脫落

17、，使渦激運動更為復(fù)雜。第六章通過水動力模型試驗的方法對波流聯(lián)合作用條件下波浪對平臺渦激運動響應(yīng)的影響、平臺在實際海洋環(huán)境下的渦激運動響應(yīng)特征等方面進行了研究。分別從規(guī)則波和不規(guī)則波兩個方面對波流交互作用入手進行研究，在規(guī)則波方面，考慮三種不同波高、不同周期的規(guī)則波，討論了規(guī)則波參數(shù)對渦激運動響應(yīng)的影響；在不規(guī)則波方面，分別以墨西哥灣和中國南海為預(yù)計作業(yè)地點，考慮了兩種典型的波流聯(lián)合作用極限海況，對平臺的渦激運動進行了研究和分析，并對相應(yīng)